某陶封FP 結(jié)構(gòu)器件功能失效分析及解決措施

黃益軍， 席赟杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所， 江蘇 無錫 214072）

0 引言

某型號設(shè)備在長時間供電使用后出現(xiàn)了陶封器件部分功能異常失效情況。 該器件應(yīng)用于某型號設(shè)備中， 是高速光電耦合器， 具有電壓轉(zhuǎn)換和脈沖數(shù)字信號隔離的功能， 并且被廣泛地應(yīng)用于軍工、 航天領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中。

該器件為扁平封裝（FP： Flat Package） 的結(jié)構(gòu)，雙邊引線從陶瓷芯片載體底部兩側(cè)平直地伸出。

本文針對該型FP 封裝器件在使用過程中暴露的失效模式進(jìn)行了分析、 試驗、 復(fù)現(xiàn)， 提出了兩種可以避免失效的工藝方法， 并通過試驗驗證了該方法的有效性， 對于避免失效模式重復(fù)發(fā)生具有重要的意義。

1 失效背景

某型號設(shè)備在濕熱環(huán)境下長時間持續(xù)運行后出現(xiàn)設(shè)備報故， 分析發(fā)現(xiàn)一路通道無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)， 發(fā)送的均為錯誤幀； 該通道接收到的數(shù)據(jù)為全零。 經(jīng)故障排查， 定位為光電耦合器電路故障。

對問題板卡進(jìn)行鏡檢， 發(fā)現(xiàn)兩只光耦引腳根部存在黃色膠狀物質(zhì)、 三防漆膜不完整和黃色膠狀物質(zhì)暴露在焊點外部等問題。 使用萬用表測量被黃色膠狀物包裹的引腳之間的阻抗， 其阻值為幾十歐姆， 正常主板引腳之間為開路狀態(tài)。 將黃色膠狀物質(zhì)去除后， 輸出信號和接收信號正常， 故障現(xiàn)象消失， 故判斷該光電耦合器故障是由于其焊點外部的黃色膠狀物質(zhì)導(dǎo)致。

2 失效分析及措施

2.1 器件概況

光耦為單通道形式， 通道采用GaAlAs 紅外發(fā)光二極管與單片集成高速光探測相耦合。 其工作溫度范圍為： -55~+125 ℃， 外形尺寸為： 11.5 mm×5.2 mm×2.75 mm。 器件外形如圖1 所示。 該光耦是金屬陶瓷FP06 引線封裝結(jié)構(gòu)， 但與塑封FP 封裝不同， 其引腳并未從封裝本體側(cè)面引出折彎， 而是燒結(jié)于管殼底部的焊盤并從器件底部平直地伸出。 這類引線結(jié)構(gòu)的FP 封裝在國產(chǎn)化小型陶封器件中非常常見。

圖1 器件外形圖

2.2 電子裝聯(lián)生產(chǎn)過程

生產(chǎn)流程包括： 去金搪錫、 電子裝聯(lián)、 清洗、焊接后專驗、 三防涂覆、 保護(hù)劑涂覆和點膠， 以及終檢。 生產(chǎn)流程如圖2 所示。

圖2 電子裝聯(lián)生產(chǎn)過程

2.2.1 去金搪錫

鍍金引線或焊端均應(yīng)進(jìn)行除金處理。 尤其是在高溫高濕的惡劣環(huán)境下， 如果有引線鍍金表面貼裝器件不進(jìn)行去金處理， 則會對產(chǎn)品的長期可靠性造成較大的影響。 為了保證搪錫結(jié)果的一致性，采用兩鍋法對該器件引線焊接部位進(jìn)行去金搪錫，待自然冷卻后再用浸有無水乙醇的脫脂棉擦洗搪錫部位。

2.2.2 焊接

該器件屬于FP 型表面貼裝器件， 使用再流焊工藝進(jìn)行焊接。 首先， 使用定制鋼網(wǎng)在印制板上印刷焊膏； 然后， 用機(jī)器將器件貼裝至對應(yīng)位置， 調(diào)整合適的再流焊工藝參數(shù)， 進(jìn)行再流焊生產(chǎn)。

2.2.3 清洗

焊接完成后， 對焊接部位100%進(jìn)行清洗。

2.2.4 專驗

使用5 倍放大鏡對清洗后的板卡進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)組件表面不存在殘留物。

2.2.5 三防漆涂覆

三防漆選用聚氨酯三防漆， 型號為TS01-3，為了保證涂覆質(zhì)量的一致性， 選用三防涂覆機(jī)自動噴涂， 控制噴涂參數(shù)， 三防漆干膜的厚度為30~50 μm[1]。

2.2.6 保護(hù)劑涂覆

參照QJ 3258—2005 《航天電子電產(chǎn)品硅橡膠粘固及灌封技術(shù)要求》， 點刷GD414 硅橡膠前， 需要在三防漆表面涂覆一層DBSF6101， 刷涂厚度為15~20 μm。

2.2.7 點膠

根據(jù)產(chǎn)品的實際情況， 加固方式是使用硅橡膠進(jìn)行粘固。 按照工藝文件要求在規(guī)定的位置進(jìn)行點膠處理， 在溫度為20~35 ℃、 濕度大于40%的條件下固化24 h。

2.2.8 終檢

使用5 倍放大鏡對點膠后的板卡進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)組件表面不存在殘留物。

2.3 失效機(jī)理分析

2.3.1 多余物的成分分析

如圖3 所示， 異常器件拆卸后發(fā)現(xiàn)焊料浸潤到了引線根部， 同時還發(fā)現(xiàn)有黃色異物從器件引腳延伸至器件底部。

圖3 器件鏡檢圖

經(jīng)失效分析， 試驗室判斷其黃色物質(zhì)中含有助焊劑成分。 再對黃色膠狀物進(jìn)行EDS 分析， 發(fā)現(xiàn)黃色異物的主要元素成分為碳和氧， 同時含有少量的錫、 鉛和硅等元素。 具體的元素含量如表1、 圖4所示。

表1 黃色膠狀物的成分表

圖4 黃色膠狀物的成分

助焊劑是焊膏中的重要組成部分， 在焊膏中一般體積占比為50%左右。 助焊劑在焊接過程中起到清除表面氧化、 傳遞熱量、 降低焊接面表面張力和防止二次氧化等作用[2]。 軍用模塊板卡電子裝聯(lián)所使用的助焊劑為中等活性松香助焊劑（RMA），主要成分為松香、 羥酸類活化劑和乙醇。 其中， 松香主要由松香酸（70%~85%） 和胡椒酸（10%~15%） 組成， 松香酸和胡椒酸均為有機(jī)酸。 采用該類助焊劑焊接產(chǎn)生的殘留物主要是聚合松香、 未參與反應(yīng)的活化劑、 松香酸鹽（高溫過程中松香與焊接面氧化層以及焊料間的反應(yīng)產(chǎn)物） 等。

產(chǎn)品所使用的三防漆為TS01-3， 屬于聚氨酯類三防漆。 TS01-3 上噴涂的保護(hù)劑DBSF6101 主要成分為乙烯基三特丁基過氧硅烷。

焊接所使用的錫膏除助焊劑外的金屬成分為錫鉛， 即Sn63Pb37。

助焊劑、 三防漆和三防保護(hù)劑是黃色膠狀物中碳、 氧元素的主要來源， 焊膏是黃色膠狀物中錫、 鉛元素的主要來源， 而硅元素主要來自于三防保護(hù)劑。

結(jié)合生產(chǎn)過程和黃色膠狀物EDS 分析結(jié)果，可以判定黃色膠狀物為助焊劑、 三防漆和焊料的混合物。

2.3.2 多余物的形成原因

國產(chǎn)化陶瓷封裝FP 結(jié)構(gòu)的引線從器件底部平直地伸出， 器件底部距PCB 板表面距離為0.1 mm，焊接過程中產(chǎn)生的助焊劑殘留因毛細(xì)作用延引腳擴(kuò)散至器件底部。 在清洗過程中， 溶液未能將助焊劑完全溶解， 僅將器件引腳表面及末端處助焊劑清除。 引腳根部及器件底部仍有助焊劑殘留。

助焊劑的殘留會導(dǎo)致三防漆在污染區(qū)域出現(xiàn)退潤濕現(xiàn)象， 使得三防漆無法緊密地貼合在被涂覆面上， 導(dǎo)致漆膜有缺陷。 產(chǎn)品在使用過程中， 缺陷處的助焊劑殘留物會持續(xù)地吸取空氣中的水氣而膨脹， 引起漆膜分層； 漆膜分層又?jǐn)U大了三防漆的缺陷點， 進(jìn)而加快了缺陷處吸附水氣。 在高溫高濕的環(huán)境試驗和長時間使用后， 助焊劑殘留物逐漸地變成黃色膠狀物， 并變大覆蓋到器件兩個引腳。

2.3.3 阻抗降低原因

助焊劑殘留物為固態(tài)， 此時其中的有機(jī)酸鹽處在非游離態(tài)， 這些離子是無法自由活動的。 當(dāng)助焊劑殘留物在環(huán)境中吸潮形成水合物時， 其中部分離子變成游離態(tài)[3]。

出現(xiàn)失效的器件兩個引腳在正常工作時會有固定的電勢差。 處在游離態(tài)的離子在定向電勢差下，沿著電勢差方向形成電遷移。 在長時間加電后， 游離態(tài)離子會逐漸地增加， 最終形成低阻通道， 造成阻抗異常。

2.3.4 失效機(jī)理綜述

器件功能失效的主要原因是國產(chǎn)化陶瓷封裝FP 結(jié)構(gòu)的引線從器件底部平直伸出， 器件底部與PCB 板縫隙較小， 器件焊接后清洗不干凈， 導(dǎo)致助焊劑殘留在器件底部。 其中， 助焊劑殘留較多的地方影響三防涂覆， 漆膜不完整。 在高溫高濕的環(huán)境下隨著時間的累積， 助焊劑殘留物吸潮后形成黃色膠狀物， 長時間加電下黃色膠狀物內(nèi)的離子發(fā)生遷移， 形成低阻通路， 阻抗逐漸地降低直至失效。

2.4 故障復(fù)現(xiàn)

2.4.1 復(fù)現(xiàn)試驗

為了驗證上節(jié)失效機(jī)理分析的正確性， 組織了異常的復(fù)現(xiàn)試驗。 選用相同的封裝器件， 按2.2 節(jié)所述的生產(chǎn)工藝對試驗器件進(jìn)行電裝、 三防。 生產(chǎn)完成后對樣品進(jìn)行環(huán)境試驗， 環(huán)境試驗分為溫度循環(huán)試驗和交變濕熱試驗[4]， 以模擬產(chǎn)品在真實的使用環(huán)境下的工作狀態(tài)。 在溫循和交變濕熱試驗過程中每個周期結(jié)束通過測試點對器件引腳間的阻抗進(jìn)行測試， 分別在溫度循環(huán)試驗和交變濕熱試驗結(jié)束后進(jìn)行外觀目檢。

2.4.2 試驗條件

a） 溫度循環(huán)試驗

1） 溫度： -40~70 ℃；

2） 升降溫速率： 10 ℃/min；

3） 保溫時間： 試驗上、 下限保溫時間以熱透、冷透為原則， 保溫時間為1 h；

4） 循環(huán)次數(shù)： 10 個周期循環(huán)， 溫度循環(huán)試驗條件如圖5 所示；

圖5 溫度循環(huán)試驗條件

5） 通電測試： 在升溫的起點通電， 在降溫的起點斷電。

b） 交變濕熱試驗

交變濕熱試驗為10 個周期， 一個周期為24 h， 分為4 個階段， 在第五個周期和第十個周期結(jié)束前， 溫度為30 ℃、 相對濕度為95%， 通電測試功能， 交變濕熱試驗條件如圖6 所示。

圖6 交變濕熱試驗條件

1） 第一階段： 調(diào)節(jié)濕熱箱內(nèi)溫度為+30 ℃、相對濕度為95%， 在2 h 內(nèi)， 將箱內(nèi)溫度從30 ℃升高到60 ℃；

2） 第二階段： 維持箱內(nèi)溫度為60 ℃、 相對濕度為95%， 持續(xù)6 h；

3） 第三階段： 在8 h 內(nèi)， 將箱內(nèi)溫度從60 ℃降至30 ℃， 保持相對濕度在95%；

4） 第四階段： 保持箱內(nèi)溫度為30 ℃、 相對濕度為95%， 持續(xù)8 h。

2.4.3 試驗結(jié)果

試驗前的焊點外觀圖如圖7 所示， 試驗后的焊點外觀圖如圖8 所示。 對比試驗前后同一器件的同一側(cè)引腳的外觀發(fā)現(xiàn)： 器件焊點的外觀表面有明顯的變化， 試驗后的焊點表面有很明顯的黃色膠狀物出現(xiàn)。

圖7 試驗前的焊點外觀圖

圖8 試驗后的焊點外觀圖

試驗樣件引腳間的阻抗測試結(jié)果如表1 所示，對比出現(xiàn)黃色膠狀物的引腳試驗前后阻抗結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)黃色膠狀物的引腳之間的阻抗下降趨勢較為明顯。

表1 試驗前后的阻抗測試記錄

復(fù)現(xiàn)試驗中30%的樣品出現(xiàn)了與故障產(chǎn)品相同的失效現(xiàn)象。

由此， 雙邊引線從陶瓷芯片載體底部兩側(cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件在正常再流焊焊接工藝中的重復(fù)性失效問題得到復(fù)現(xiàn)。

2.5 改進(jìn)措施

為了解決該問題， 根據(jù)失效機(jī)理分析， 提出以下兩種解決方案。

a） 控制引線焊接的焊點長度

首先， 在去金搪錫時， 要求控制搪錫部位， 不得觸碰本體， 搪錫區(qū)域距離本體1 mm， 通過焊盤設(shè)計和鋼網(wǎng)開口設(shè)計， 使焊接完的引腳焊點處焊錫不接觸器件本體， 距離引腳根部0.5 mm 以上， 防止焊劑擴(kuò)散至器件底部， 如圖9 所示。

圖9 控制引線焊接的焊點長度示意圖

b） 引腳成型抬高器件本體

該類器件結(jié)構(gòu)的典型特征是引線從陶瓷芯片載體底部兩側(cè)平直地伸出， 為了抬高器件本體， 需要定制專用工裝， 將引線伸出殼體部分打彎成型[5]。器件抬高的高度控制在0.5~1 mm， 這樣一來， 清洗溶劑便可以輕易地進(jìn)入器件底部清除助焊劑等多余物。 同時， 通過顯微鏡可以方便地看出底部有無異物殘留， 如圖10 所示。

圖10 引腳成型抬高器件本體示意圖

2.6 措施的有效性驗證

為了驗證改進(jìn)措施的有效性， 按照上述兩個改進(jìn)方案進(jìn)行了有效試驗驗證工作。 兩種方案各制作10 個樣本進(jìn)行驗證， 試驗流程同2.4.2 節(jié)。 改善后試驗前后的外觀圖如圖11-12 所示， 驗證結(jié)果為：20 個樣本的環(huán)境試驗前后焊點表面的外觀均無異常， 沒有黃色多余物出現(xiàn)； 同樣阻抗測試均為斷路， 無阻抗下降現(xiàn)象。 兩個改進(jìn)方案的有效性得到了試驗驗證。

圖11 控制引線焊接前后對照圖

圖12 引腳成型抬高器件前后對照圖

2.7 結(jié)論

通過以上試驗發(fā)現(xiàn)， 雙邊引線從陶瓷芯片載體底部兩側(cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件， 因其結(jié)構(gòu)原因， 器件離板高度較低， 以常規(guī)SMT 焊接工藝進(jìn)行焊接， 助焊劑會流到器件底部； 受清洗工藝的局限性影響， 助焊劑殘留在器件底部； 在高溫高濕的環(huán)境下， 助焊劑析出與三防漆形成黃色膠狀物，吸收空氣中的水分， 為黃色膠狀物中的離子提供自由活動的載體， 長時間加電后發(fā)生離子遷移， 形成低阻通道， 進(jìn)而導(dǎo)致阻抗異常， 觸發(fā)故障現(xiàn)象。 試驗結(jié)果與原因分析一致。 通過改善器件引線的成型方式和優(yōu)化器件版圖設(shè)計、 焊接工藝這兩種改進(jìn)措施對器件處理后， 環(huán)境適應(yīng)性試驗前后器件引線焊接表面形貌無變化， 試驗結(jié)果同理論分析一致。

3 結(jié)束語

本文對某型設(shè)備報故的現(xiàn)象進(jìn)行了分析， 找到了故障的原因， 對故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)， 提出了改進(jìn)措施， 并對改進(jìn)措施的有效性進(jìn)行了試驗驗證。 同時， 通過分析發(fā)現(xiàn)， 對于雙邊引線從陶瓷芯片載體底部兩側(cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件而言， 由于器件本身結(jié)構(gòu)問題， 使用常規(guī)的SMT 生產(chǎn)工藝， 會出現(xiàn)助焊劑殘留在器件底部無法清洗干凈， 在使用中會析出形成一個類似低阻通道的載體，出現(xiàn)功能故障的問題， 對此可根據(jù)產(chǎn)品的特點采取改善器件引線的成型方式和優(yōu)化器件版圖設(shè)計、 焊接工藝這兩種改進(jìn)措施進(jìn)行解決。